CN102883382A - 一种轨道交通中无线介质切换系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道交通中无线介质切换系统及其方法，包括介质切换触发单元、轨旁无线接入点数据库单元、当前关联无线接入点及关联状态单元、列车当前位置获取单元、射频开关当前位置获取单元、切换实施及双回路协同单元，介质切换触发单元包括车载无线电台，当前关联无线接入点及关联状态单元用于车载无线电台失位时触发无线介质切换、同时结合射频开关当前位置及轨旁无线接入点数据库校验射频开关位置的正确性，质切换触发单元控制切换实施及双回路协同单元完成无线介质的切换。

Description

一种轨道交通中无线介质切换系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种无线介质切换系统及其方法，特别是一种轨道交通中无线介质切换系统及其方法。

背景技术

早期的铁路信号系统主要利用联锁设备来确保列车在固定的轨道上按指定方向安全、有效地运行。当前，随着计算机、通信以及自动控制的技术的迅速发展，城市轨道交通信号系统已发展成为一个先进的自动控制系统——即列车自动控制系统（简称ATC系统），它是列车安全、高效运行的主要保证。ATC系统由早期的固定闭塞体制发展到目前的移动闭塞体制——即基于通信的列车控制（CBTC），数据通信系统（DCS）旨在解决CBTC系统中车-地传输中的关键问题，即在列车高速移动过程中保证列车与轨旁网络连接的稳定可靠。针对当前2.4GHz频段干扰严重，开放空间传输性能不稳定，易受到外部干扰的现实，提出在开放空间采用裂缝波导或泄漏电缆传输介质，在隧道等相对封闭的区域，采用定向天线的传输方式。采用这种组合式的轨旁射频系统，结合了定向天线传输方式安装方便、维护简单、工程造价低的优点和裂缝波导/泄漏电缆抗干扰能力强的优点。采用组合方式的轨旁射频系统需要解决的一个问题就是在轨旁传输介质发生变化的情况下，车载无线电台（STAtion  STA）的射频回路也要做相应的切换，通过完全断开原射频回路、接通新的射频回路的方式，使得车载STA在不同的轨旁射频系统下切换、工作。采用此种不同射频回路完全断开隔离的方案，可充分发挥开发空间采用裂缝波导或/泄漏电缆的抗干扰能力强的特点，可以完全避免开放空间引入的干扰。

目前使用的组合方式轨旁射频系统方案中，没有采用射频开关进行不同传输介质的切换，而是通过功率分配器/耦合器的方式，使得车载STA可同时接收自由无线射频回路和裂缝波导/泄漏电缆射频回路的无线信号，因此在开放空间，通过自由无线回路接收的无线信号仍然能被车载STA接收，对STA产生干扰。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种可完全避免开放空间的无线干扰、具有稳定可靠的数据传输链路、可以完全脱离应用系统提供的列车位置信息、实现零切换时间、零丢包的传输介质切换功能的轨道交通中无线介质切换系统及其方法。

为了实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案：一种轨道交通中无线介质切换系统，包括介质切换触发单元、轨旁无线接入点数据库单元、当前关联无线接入点及关联状态单元、列车当前位置获取单元、射频开关当前位置获取单元、切换实施及双回路协同单元，所述的介质切换触发单元包括车载无线电台，所述的列车当前位置获取单元用于提供列车当前位置信息至介质切换触发单元，所述的射频开关当前位置获取单元用于提供射频开关当前位置信息至介质切换触发单元，所述的轨旁无线接入点数据库单元是在介质切换触发单元中车载无线电台开机加载，所述的当前关联无线接入点及关联状态单元用于车载无线电台失位时触发无线介质切换、同时结合射频开关当前位置及轨旁无线接入点数据库校验射频开关位置的正确性，所述的质切换触发单元控制切换实施及双回路协同单元完成无线介质的切换，所述的车载无线电台上设置有第一无线网卡、第二无线网卡和输入输出端口模块，所述的射频开关当前位置获取单元包括第一射频控制开关和第二射频控制开关，所述的两个射频控制开关分别连接在输入输出端口模块上，所述的射频控制开关为单刀双掷开关，所述的射频控制开关的两个触点分别连接在裂缝波导传输介质定向天线和自由无线传输介质定向天线上，所述的两块无线网卡设置不同的工作信道，所述的第一射频控制开关发出的信号由第一无线网卡接收，所述的第二射频控制开关发出的信号由第二无线网卡接收；所述的射频控制开关采用晶体管-晶体管逻辑电平控制方式或串口通信控制方式。

一种轨道交通中无线介质切换方法，其特征在于步骤包括：

1）    通过列车当前位置获取单元和射频开关当前位置获取单元获取列车当前位置和射频开关位置，当获取的列车位置有效时，则执行步骤2），否则执行步骤4）；

2）    当列车位置与射频开关位置一致时，则执行步骤3），否则切换射频开关到当前列车位置射频介质，则本方法结束；

3）    当列车进入无线介质切换区域时，则实施基于位置的无线介质切换后本方法结束，否则直接执行步骤7）；

4）    通过当前关联无线接入点及关联状态单元获取当前关联无线接入点的基本服务集标识符，当基本服务集标识符为非空时，则介质断连计数器清零后执行步骤5），否则介质断连计数器加一后执行步骤6）；

5）    当关联无线接入点为切换无线接入点时，则实施基于关联无线接入点的无线介质切换后本方法结束，否则直接执行步骤7）；

6）    当介质断连计数器大于设定值时，则改变射频开关位置后本方法结束，否则直接执行步骤7）；

7）    当设定时间到达时，返回步骤1）。

本发明的有益效果如下：本发明通过切断自由无线收发射频回路的方式，使得列车运行到开发空间时，可完全避免开放空间的无线干扰，特别是通过无线自由波方式辐射的干扰；本发明的切换方法能提供稳定可靠的数据传输链路，系统中出现的单点故障不影响方法的性能与功能，鲁棒性高；本发明的介质切换方法可以完全脱离应用系统提供的列车位置信息。

附图说明

图1是本发明车载无线电台射频回路；

图2是本发明的轨旁无线传输介质转换区域射频系统布置图；

图3是本发明的无线介质切换系统结构示意图；

图4是本发明的无线介质切换方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：由于轨道交通中列车的行驶路线固定，因此，可以采用裂缝波导进行轨旁无线信号的覆盖。裂缝波导无线传输方式特别适应于复杂电磁环境和强电磁干扰环境（如地面、高架等无线WIFI信号密集开放区域），同时，在开放区域的地形地貌、建筑物及其未来地物的变化等对裂缝波导的射频传输性能几乎没有影响，这些优点都是自由无线传输方式所没有的，但裂缝波导的工程造价较高，因此，在城市轨道交通移动闭塞体制的信号系统中，采用隧道区域采用自由无线传输方式，在地面、高架等开放区域采用裂缝波导传输方式，在整条轨道交通线路中，存在自由无线和裂缝波导（或泄漏电缆）这两种传输方式组合在一起的轨旁射频系统，此组合指不同的区域采用不同的轨旁射频传输介质，但列车在整条线路来回运行，由于轨旁自由无线定向天线和裂缝波导的安装位置差异大，且无线信号辐射方向不同，因此车载无线电台（STAtion  STA）需要通过不同的车载射频回路接收轨旁自由无线方式传输的射频信号和裂缝波导方式传输的射频信号。在开放空间采用裂缝波导（泄漏电缆）无线传输方式，除了利用裂缝波导平稳一致的无线覆盖特性外，更重要的是利用裂缝波导无线辐射空间受限，抗干扰能力强及电磁兼容性高的特点，因此，当列车行驶到开发空间时，STA的射频回路需要切换到收发轨旁裂缝波导无线信号的天馈线，同时与收发自由无线信号的天馈线断开，这样，外部干扰信号无法通过自由无线收发回路进入车载STA，而外部干扰信号又很难耦合进裂缝波导。

如图3所示，一种轨道交通中无线介质切换系统，包括介质切换触发单元、轨旁无线接入点（Access Point AP）数据库单元、当前关联无线接入点（Access Point AP）及关联状态单元、列车当前位置获取单元、射频开关当前位置获取单元、切换实施及双回路协同单元， 所述的介质切换触发单元包括车载STA，列车当前位置为上层应用（车载ATP）提供的列车位置信息，结合列车长度等数据，能计算出车头/车尾天线的当前位置，当天线落到无线传输介质切换区域时，触发介质切换，射频开关当前位置为STA 输入输出端口(I/O)模块回读的射频开关的位置状态。当满足无线传输介质切换条件时，由介质切换触发单元触发切换，在切换的执行过程中，同时只能有一路射频回路处于切换状态，在该回路切换成功后再执行另一个射频回路的切换，所述的轨旁AP数据库单元是在介质切换触发单元中车载STA开机加载，每一个数据项对应一个轨旁AP的无线网卡，包括设备名称、无线网卡的MAC地址（BSSID）、无线传输介质属性（0：自由无线，1：裂缝波导，2：泄漏电缆，3：组合介质）、设备安装里程、介质切换点（0：不切换，1：在该AP点进行介质切换）。线路轨旁AP数据库的建立：轨旁AP数据库主要包括AP名称、位置信息、射频介质信息、BSSID、工作信道、覆盖区域等基本数据。数据库的建立需要结合DCS系统设计、轨旁AP布置等工程实际数据，每一个车载STA都需要存储该线路轨旁AP数据库，轨旁AP数据库更新后，车载STA需要从DCS中心设备下载更新后的数据库，进行重置工作；所述的当前关联AP及关联状态是无线网卡驱动提供的数据信息，当前关联AP主要用于在STA失位时触发无线介质切换，同时结合射频开关当前位置及轨旁AP数据库校验射频开关位置的正确性，所述的质切换触发单元控制切换实施及双回路协同单元完成无线介质的切换；如图1所示，所述的车载STA上设置有第一无线网卡、第二无线网卡和I/O模块，射频开关当前位置获取单元包括第一射频控制开关和第二射频控制开关，所述的两个射频控制开关分别连接在I/O模块上，所述的射频控制开关为单刀双掷开关，所述的射频控制开关的两个触点分别连接在裂缝波导传输介质定向天线和自由无线传输介质定向天线上，所述的两块无线网卡设置不同的工作信道，所述的第一射频控制开关发出的信号由第一无线网卡接收，所述的第二射频控制开关发出的信号由第二无线网卡接收；；所述的射频控制开关采用晶体管-晶体管逻辑电平(Transistor Transistor Logic TTL，输入高电平>=2.0V，表示逻辑“1”，输入低电平<=0.8V，表示逻辑“0”)控制方式或串口通信控制方式。车载STA当前位置由车载ATP提供，通过接收车载ATP定时发送的位置、速度、方向报文计算出STA当前位置，无线介质切换方法通过驱动API函数获得STA无线网卡当前关联的AP 基本服务集标识符（Basic Service Set Identifier BSSID）。

本发明中的STA配置两块无线网卡，分别记为W1、W2，为减小无线干扰，两块网卡设置不同的工作信道（如W1工作于信道1，W2工作于信道11），其工作的网络号可以相同也可以不同。两块网卡协同工作，完成无缝切换。同一时刻只有一块网卡处于无线介质切换状态，在该无线网卡切换成功（包括和轨旁AP关联成功）后才允许另一个无线网卡及射频回路的切换，车载STA两路射频回路协同工作，至少一个链路保持可靠的数据传输，使得车载STA为轨道交通上层应用系统（如CBTC,PIS/CCTV）提供零切换时间、零丢包的传输介质切换功能，实现稳定、可靠的车-地数据双向传输。保证至少有一块网卡处于数据传输状态，保证通信链路不中断，保证了数据传输的高可靠性。在整个无线介质的切换过程中，STA不会产生丢包或通信中断等现象，保证了上层应用的稳定可靠运行。

如图4所示，一种轨道交通中无线介质切换方法，步骤包括：

1）    通过列车当前位置获取单元和射频开关当前位置获取单元获取列车当前位置和射频开关位置，当获取的列车位置有效时，则执行步骤2），否则执行步骤4）；

2）    当列车位置与射频开关位置一致时，则执行步骤3），否则切换射频开关到当前列车位置射频介质，然后执行步骤7）；

3）    当列车进入无线介质切换区域时，则实施基于位置的无线介质切换后执行步骤7），否则直接执行步骤7）；

4）    通过当前关联AP及关联状态单元获取当前关联AP的BSSID，当BSSID为非空时，则介质断连计数器清零后执行步骤5），否则介质断连计数器加一后执行步骤6）；

5）    当关联AP为切换AP时，则实施基于关联AP的无线介质切换后执行步骤7），否则直接执行步骤7）；

6）    当介质断连计数器大于设定值时，则改变射频开关位置后执行步骤7），否则直接执行步骤7）；

7）    当设定时间到达时，(设定时间与STA在AP间切换的判断周期一致，一般选择100ms，为AP灯塔信号的发送周期)，则返回步骤1）。

为了实现在列车失位或不能获得列车位置情况下的无线介质准确可靠切换，在轨旁AP无线介质切换区域（也及隧道与开放空间结合区域），需要进行自由无线和裂缝波导的重叠覆盖，如附图2所示。当列车从AP1向AP4方向行驶时，车载STA需要从自由无线传输介质向裂缝波导传输介质切换——即由原来的自由无线传输介质收发无线信号转变为由裂缝波导传输介质收发无线信号。当车头STA关联到AP3时，介质切换方法需要向射频开关发送开关变位命令，使STA转变为从裂缝波导传输介质收发无线信号，车头STA切换到裂缝波导传输介质后，由STA的漫游切换程序自动管理车头STA与AP2或AP3关联，为了实现传输介质切换后，STA仍然能可靠与轨旁AP保持关联，AP2需要向AP1方向敷设一定距离的裂缝波导，使得在AP3到AP1区域内，裂缝波导的覆盖区域完全包括AP3自由无线方式向AP1方向辐射的自由无线覆盖区域。当车尾STA关联到AP3时，介质切换方法需要向射频开关发送开关变位命令，使车尾STA转变为从裂缝波导传输介质收发无线信号，车尾STA切换到裂缝波导传输介质后，由STA的漫游切换程序自动管理车尾STA与AP4关联。对于另外一个方向行驶的列车，无线介质切换的时机类似，当列车从AP4向AP1方向行驶，车头/车尾STA和AP3关联时，无线介质切换方法控制射频开关变位，使STA和自由无线传输介质连接。

在采用基于位置的无线介质切换机制时，当列车运行到附图2中的AP2和AP3之间的区域时，介质切换方法向射频开关发送开关变位命令，实现车载STA在轨旁无线传输介质上的切换。

本发明旨在提供一种无线传输介质切换方法，该方法主要有两种介质切换机制。一种为基于列车位置的切换，车载STA获得上层应用（车载ATP）提供的列车位置信息，结合轨旁AP射频传输系统介质分布情况，在列车行驶到指定区域时，STA控制射频开关切换，使STA由原来的射频回路切换到新的射频回路，实现在自由无线传输介质和裂缝波导/泄漏电缆传输介质之间的切换；另一种介质切换机制基于车载STA当前关联的轨旁AP，结合轨旁AP信息数据库进行射频开关的开关位置控制。这两种切换机制同时存在，优先采用基于列车位置的切换，当列车失位时或STA不能获得列车位置的应用系统中，采用基于当前关联AP的切换机制。

Claims (4)

1.一种轨道交通中无线介质切换系统，其特征在于包括介质切换触发单元、轨旁无线接入点数据库单元、当前关联无线接入点及关联状态单元、列车当前位置获取单元、射频开关当前位置获取单元、切换实施及双回路协同单元， 所述的介质切换触发单元包括车载无线电台，所述的列车当前位置获取单元用于提供列车当前位置信息至介质切换触发单元，所述的射频开关当前位置获取单元用于提供射频开关当前位置信息至介质切换触发单元，所述的轨旁无线接入点数据库单元是在介质切换触发单元中车载无线电台开机加载，所述的当前关联无线接入点及关联状态单元用于车载无线电台失位时触发无线介质切换、同时结合射频开关当前位置及轨旁无线接入点数据库校验射频开关位置的正确性，所述的质切换触发单元控制切换实施及双回路协同单元完成无线介质的切换。

2.根据权利要求1中所述的一种轨道交通中无线介质切换系统，其特征在于所述的车载无线电台上设置有第一无线网卡、第二无线网卡和输入输出端口模块，所述的射频开关当前位置获取单元包括第一射频控制开关和第二射频控制开关，所述的两个射频控制开关分别连接在输入输出端口模块上，所述的射频控制开关为单刀双掷开关，所述的射频控制开关的两个触点分别连接在裂缝波导传输介质定向天线和自由无线传输介质定向天线上，所述的两块无线网卡设置不同的工作信道，所述的第一射频控制开关发出的信号由第一无线网卡接收，所述的第二射频控制开关发出的信号由第二无线网卡接收。

3.根据权利要求1中所述的一种轨道交通中无线介质切换系统，其特征在于所述的射频控制开关采用晶体管-晶体管逻辑电平控制方式或串口通信控制方式。

4.一种轨道交通中无线介质切换方法，其特征在于步骤包括：

1）通过列车当前位置获取单元和射频开关当前位置获取单元获取列车当前位置和射频开关位置，当获取的列车位置有效时，则执行步骤2），否则执行步骤4）；

2）当列车位置与射频开关位置一致时，则执行步骤3），否则切换射频开关到当前列车位置射频介质，则本方法结束；

3）当列车进入无线介质切换区域时，则实施基于位置的无线介质切换后本方法结束，否则直接执行步骤7）；

4）通过当前关联无线接入点及关联状态单元获取当前关联无线接入点的基本服务集标识符，当基本服务集标识符为非空时，则介质断连计数器清零后执行步骤5），否则介质断连计数器加一后执行步骤6）；

5）当关联无线接入点为切换无线接入点时，则实施基于关联无线接入点的无线介质切换后本方法结束，否则直接执行步骤7）；

6）当介质断连计数器大于设定值时，则改变射频开关位置后本方法结束，否则直接执行步骤7）；

7）当设定时间到达时，返回步骤1）。

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